Hochvolt-Lösungen für die nächste Generation

Die schnelle Entwicklung im Elektro- und Hybridfahrzeugmarkt verlangt nach zahlreichen neuen und anspruchsvollen Anwendungslösungen im Bereich der Hochstrom-Steckverbinder. Die Automobilhersteller beschreiten derzeit verschiedene Wege, um niedrigere Emissionswerte beziehungsweise eine Nullemission zu erreichen; sie stellen damit die Lieferanten von Steckverbindern vor neue Aufgaben.

FCI

Dabei dürfte ein gemeinsames Augenmerk auf der Notwendigkeit liegen, Lösungen zu entwickeln, die ein Höchstmaß an Sicherheit und Personenschutz gewährleisten sowie gleichzeitig kosten-, gewicht- und platzsparend sind. In dieser Situation können es sich die Hersteller jedoch nicht erlauben, ihre Kunden hinsichtlich der heutzutage vorausgesetzten Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Produkten zu enttäuschen. Steigende Ölpreise, zunehmendes Umweltbewusstsein sowie eine Kombination aus staatlichen Vorschriften und Förderungsmaßnahmen beeinflussen den Markt für Elektro- und Hybridfahrzeuge, der dadurch weiter an Fahrt aufnimmt. Entscheidend dabei ist, dass Erstausrüster und deren Lieferanten jetzt unmittelbar von den in den Montagelinien und auf der Straße gesammelten Erfahrungen mit Elektromobilität und den daraus errungenen Kenntnissen profitieren können. Doch während sich der Markt für Elektroautos schnell entwickelt, bleiben die Zukunftsprognosen hinsichtlich Akzeptanz und Ausbreitung von Elektromobilität sowie die damit verbundene Zielausrichtung noch ungewiss. Studien deuten darauf hin, dass bis 2015 weltweit zwischen 500.000 und eine Million Fahrzeuge verkauft werden könnten.

Bild 1: Die Gehäuse der Steckverbinder RCS800 und RCS890 sind mit einem neuen 8-mm-Rundkontakt versehen, der eine effizientere Platzausnutzung zulässt als der entsprechende Flachkontakt.FCI

Neben den Leistungsmerkmalen der Fahrzeuge selbst bestimmen in erster Linie die Fortschritte im Bereich der Batterietechnologie den Markt für Elektro- und Hybridfahrzeuge. Dabei kommt es nicht nur auf das Gewicht, die Kosten und die Energiekapazität der Batterie selbst an, sondern auch darauf, mit welcher Geschwindigkeit der Aufbau der Ladestationsnetze erfolgt und welche Dichte diese Netze haben. Denn auch wenn Elektrofahrzeugen voraussichtlich überwiegend die Rolle des Zweitautos zufällt und sie nur für vergleichsweise kurze Strecken zum Einsatz kommen werden stellt die Sorge um die Reichweite ganz klar einen limitierenden Faktor für Elektromodelle dar. Eine Lösung dieser Problematik wird sich jedoch aller Voraussicht nach erst mit dem breit angelegten Zugang des Verbrauchers zu Schnellladestationen ergeben.

Den Herausforderungen gerecht werden

Ein gemeinsamer Faktor in diesem breiten Spektrum von verschiedenen Elektro- und Hybridfahrzeugen liegt im Einsatz von Lithium-Batterien, deren Betriebsspannungen sich im Bereich von 400 V bis 750 V bewegen. Diese Kapazitäten liegen um mehr als das Zehnfache über den Anforderungen konventioneller Fahrzeuge mit standardmäßigen 14-V-Blei-Säure-Batterien, so dass die Entwicklung eines umfassenden Programms an speziellen Hochvolt-Steckverbinder-Lösungen und neuen Ladesteckern notwendig wurde.

Die neuen HV-Steckverbinder müssen einer Reihe kritischer Anforderungen gerecht werden. An erster Stelle steht natürlich die Sicherheit – und zwar bei Betriebsspannungen im Bereich von 400 V bis 750 V und Strömen im Bereich von 50 A bis 300 A und höher.  Bedenkt man dabei, dass die Nutzer unweigerlich Zugang zum Motorraum haben werden, um die Batterie zu laden oder auszuwechseln, liegt die Notwendigkeit strenger Sicherheitsnormen zum Schutz gegen elektrische Stromschläge auf der Hand.

Ein weiterer Kernpunkt liegt neben magnetischen Störfeldern, die bei derart hohen Leistungsniveaus entstehen, in der Gefahr einer elektrischen Bogenentladung beim Ein- und Ausstecken. Dadurch entsteht nicht nur ein erhebliches Risiko für schwere Schäden an den Stecksystemen und elektronischen Geräten, sondern es kann sogar das gesamte Fahrzeug in Brand gesetzt werden.

Darüber hinaus bleiben Gewicht und Kosteneinsparungen ein Schwerpunkt: Einerseits bedeuten Erhöhung von Leistung und Batterieeinsatz der Elektrofahrzeuge, dass das Gewicht in jeder einzelnen Komponente minimiert werden muss. Auf der anderen Seite spielt Wirtschaftlichkeit ebenso eine bedeutende Rolle, weil die kommende Generation der Elektrofahrzeuge klar auf den Massenmarkt abzielt. Da allein schon die Batterie Kosten in Höhe von mehreren Tausend Euro mit sich bringt, herrscht erheblicher Druck, die Baukosten an anderen Stellen im Fahrzeug so weit wie möglich zu senken.

Power.S3

Angesichts all dieser neuen Herausforderungen hat FCI die Interconnect-Produkte und Ladestecker der Baureihe Power.S3 für hohe Leistung, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Kompaktheit, Ergonomie und die Sicherheit der Menschen optimiert.

Die Auswahl der von FCI angebotenen Produkte spiegelt das für Elektro- und Hybridfahrzeuge typische breite Anwendungsspektrum wieder. So ist die Baureihe APEX-280 auf die Anforderungen im 35-A-Bereich von Komponenten wie Klimaanlagen, Heizung und anderen Schnittstellen innerhalb des Fahrzeugs abgestimmt, während die Baureihen RCS-800 und RCS-890 gezielt für Hochstrom- und Hochspannungsverbindungen (Gleichstrom) ausgelegt sind und beispielsweise an der Batterie, an der Verteilerbox sowie am Wechselrichter zum Einsatz kommen.

Bild 2: Der 2-polige Steckverbinder RCS890 (230 A/750 V) ist die um 90° abgewinkelte Version des RCS800-Stecksystems.FCI

Zu den bemerkenswerten Innovationen der Steckverbinder gehören unter anderem die RCS800- und RCS890-Gehäuse (siehe Abbildung 1), die mit einem neuen 8-mm-Rundkontakt versehen sind, welcher eine effizientere Platzausnutzung zulässt als der entsprechende Flachkontakt. Die RCS-Buchsenkontakte bieten eine hohe Anzahl an Kontaktstellen; sie lassen sich kundenspezifisch mit bis zu 250 A belasten.

Innerhalb ihrer jeweiligen Einsatzgebiete weisen die Steckverbindersysteme RCS800 und RCS890 (Stromstärke bis 250 A) sowie APEX-2.8mm (Stromstärke bis 35 A) im Vergleich zu anderen Anschlusstechniken dieser Art eine größere Strombelastbarkeit und eine gesteigerte Hochstromfähigkeit auf. Gleichzeitig sind die Steckverbinder durch ihre kompakte Bauform platzsparender und leichter. Je nach Systemauslegung und den gegebenen Platzverhältnissen stehen zwei Versionen zur Auswahl: RCS800 für 180°- und RCS890 für 90°-Abgänge. Darüber hinaus bieten spezielle Oberflächenbeschichtungen Schutz vor möglichen Schäden durch Bogenentladung. Eine Kunststoffkappe sorgt für den Schutz nach IP2-X und schützt den Anwender vor der Gefahr eines elektrischen Stromschlags.

Spezielle Gehäuselösungen

Für die Verbindungssysteme APEX-280, RCS-800 und RCS890 (siehe Abbildung 2) hat FCI die passenden Gehäuselösungen entwickelt. Ein besonderer Aspekt dabei ist das Interlocksystem, das ein Abschalten der Spannung sicherstellt, sobald der Stecker getrennt wird.

Der spezielle zweistufige Entriegelungsprozess gibt dem Interlocksystem genügend Zeit zur Trennung, sodass die Kupplung nicht gelöst werden kann, solange sie Strom führt. Der Anwender muss zwei separate Bewegungen ausführen, um die Verbindung zu lösen. Dadurch entsteht zwischen der Unterbrechung der Stromzufuhr und der Freigabe des Steckverbinders zum Lösen ein Zeitfenster von fünf Sekunden.

Dieses neue Sicherheitssystem wird durch eine Reihe weiterer Merkmale ergänzt. So sind die Anschlüsse in ein schützendes Kunststoffgitter eingebettet, das jegliche Berührung verhindert. Zusätzlich führt das axiale Stecksystem ErgoMate von FCI zu einer deutlichen Reduzierung der Steckkräfte bei gleichzeitig kompakter und flacher Außenkontur des Steckers. Nach dem Einstecken muss der Anwender eine sekundäre Stecksicherung aktivieren, die garantiert, dass die Verbindung 100 % sicher verrastet ist. Zusätzlich integriert FCI eine effiziente elektromagnetische Abschirmung und ein sicheres Abdichtungskonzept, sodass sich eine flache Außenkontur bei kompaktem Design ergibt.

Auch AK-Steckverbinder

Angesichts des dynamischen und schnell wachsenden Marktes strebt FCI weiterhin eine partnerschaftliche Zusammenarbeit mit Kunden aus aller Welt an, um Produktlösungen zu entwickeln, die auf die jeweiligen spezifischen Anforderungen zugeschnitten sind. Diesbezüglich arbeitet FCI auch an den von den deutschen OEMs spezifizierten AK-Steckverbindern, die zu diesen Schnittstellen kompatibel sind und den Anforderungen für Anwendungen im Bereich der Hybrid- und Elektrofahrzeuganwendungen gerecht werden.

Fazit

Der Sektor Elektromobilität entwickelt sich immer weiter. In relativ kurzer Zeit haben bahnbrechende Fahrzeuge den Weg vom Zeichenbrett in den Showroom und auf die Straße gefunden.

Zahlreiche technische Herausforderungen sind bereits gemeistert – und dazu zählt auch die Entwicklung von Steckverbindern mit einem Höchstmaß an Sicherheit und Leistungsfähigkeit. Da der Markt nun in eine neue Phase tritt, bleibt abzuwarten, wie schnell die Verbraucher die Elektrofahrzeugtechnologie annehmen.

Ein Schlüsselelement, das für die Steigerung der Attraktivität von Elektroautos ausschlaggebend sein wird, stellt die Bereitschaft aller Lieferanten dar, auf die praxisnahen Kenntnisse zu reagieren, die sich aus der Herstellung, Instandhaltung und dem Besitz der ersten Generation von massenproduzierten Nullemissionsfahrzeugen ergeben. Das Power.S3-Angebot spiegelt diese Lern- und Anpassungsbereitschaft bereits wider und zeigt, wie FCI ständig an der Verbesserung von Leistung und Flexibilität seines Steckverbinderprogramms für Elektroautos arbeitet.    

(av)